Больше мощности? — Часть II (техническая)

<<<Больше мощности? — Часть I

Техническая часть

Идеальные источники

Как было показано, ситуация со спецификациями к наушникам и источнику варьируется от полного её отсутствия до детального описания параметров. Некоторые источники для наушников ведут себя как идеальный источник напряжения. Это значит, что они всегда подают на нагрузку одинаковое напряжение, вне зависимости от её импеданса. Даже усилители вроде 20-долларового FiiO E5 обеспечивают стабильные 1.2 Vrms для любой нагрузки от 16 Ом (минимум для подавляющего большинства наушников) до 600 Ом (общепринятый максимум). Если вам не требуется более 1.2 В, усилитель вполне сойдет за идеальный источник напряжения. Это происходит благодаря тому, что он имеет низкий выходной импеданс и достаточный ток для раскачки 16-омных наушников без ограничения по току. Для такого источника максимальная мощность рассчитывается как:

P = (Vmax^2) / импеданс наушников

Примеры мощностей

Что касается низкоомных источников, имеющих достаточный допустимый ток, вроде FiiO E5 — вот тот же усилитель с тремя разными наушниками, обратите внимание на различные значения выходной мощности:

• HD600 (300 Ом) & FiiO E5 – (1.2 * 1.2)/300 = 4.8 мВт


• Beyer DT770 (80 ОМ) & FiiO E5 - (1.2 * 1.2)/80 = 18 мВт


• TripleFi 10 (32 Ом) & FiiO E5 - (1.2 * 1.2)/32 = 45 мВт

Неидеальные источники

В данном случае «неидеальный» не обязательно означает «плохой», однако некоторые факторы могут ограничивать выходные параметры такого источника. Любой источник может обеспечить только определенное максимальное значение напряжения, даже без подключенной нагрузки. Оно определяется внутренним источником напряжения, и для большинства устройств работающих от аккумуляторов это значение невелико. Многие iPod'ы способны выдавать всего 0.5 — 1.0 Vrms максимум, FiiO E7 — 1.2 Vrms, а Leckerton UHA-4 — около 2.2 Vrms для максимального импеданса 600 Ом. Если импеданс уменьшается, напряжение также может упасть. Это может происходить по причине значительного выходного импеданса и/или из-за внутренних ограничений по току.

Выходной импеданс

Источники предназначенные для наушников имеют выходной импеданс от менее чем 1 до 120 Ом и выше. Если выходной импеданс достигает более 1/8 импеданса наушников, он начинает в значительной степени ограничивать выходные параметры. Выходной импеданс совместно с наушниками создаёт делитель напряжения. В таком случае источник более не является идеальным. Если усилитель имеет выходной импеданс 50 Ом, и вы подключаете к нему наушники с импедансом 50 Ом, только 1/4 мощности будет выделяться на наушниках по сравнению со значением для идеального источника.

Ограничение по току

Взгляните на параметры Leckerton UHA-4 в первой части статьи. Он обеспечивает 4 мВт для 100 Ом, и это соответствует 2.2 Vrms. Если бы он мог обеспечивать те же 2.2 В для 16 Ом, он бы выдавал мощность (2.2 * 2.2)/16 = 302 мВт, но в данном случае указано всего 20 мВт. Его выходной импеданс всего 0.4 Ом, с этим проблем нет. Так что же происходит? Ответ заключается в том, что некоторые источники ограничивают ток, если импеданс нагрузки опускается ниже определенного значения. Именно это и происходит в случае с UHA-4. Он попросту не имеет ресурсов для поддержания того же напряжения для нагрузки ниже 100 Ом. Если производитель не указывает выходную мощность для широкого диапазона импедансов, поведение источника предсказать невозможно. Кто-то может утверждать, что низкоомные наушники более чувствительны и требуют меньше мощности, так что это не важно, но такое утверждение не всегда справедливо. Наушники HiFiMAN, упомянутые раньше, многие модели AKG, а также некоторые другие наушники имеют низкий импеданс и в то же время относительно низкую чувствительность. И они будут неудачным выбором для чего-то вроде Leckerton'а.

В итоге

Если фирма-производитель не указывает выходную мощность для импеданса ваших наушников, вы можете попробовать один из вариантов:

• Мощность, указанная для меньшего импеданса — В этом случае вам надо выяснить напряжение для более низкого импеданса и использовать это значение. Формула: V = кв.корень(мощность в Вт * импеданс). Для FiiO E7, например, это ( 0.15 * 16 ) = 1.5 Vrms.


• Мощность, указанная для более высокого импеданса — невозможно в точности предсказать поведение источника с импедансом ниже указанного, не зная выходного импеданса или максимального тока. Пример с Leckerton UHA-4 демонстрирует, что происходит при ограничении по току. А E9 показывает случай с более высоким выходным импедансом (10 Ом). 80 мВт E9 для 600 Ом дают: кв.корень( 0.080 * 600 ) = 6.9 Vrms, что должно давать 3 Вт для 16 Ом, однако E9 обеспечивает тут всего 1 Вт или 4 В — из-за больших потерь на выходном импедансе 10 Ом. Приближенное значение можно получить, рассчитав напряжение для ближайшего более высокого импеданса, а затем разделив это значение на четыре для расчета мощности на более низких импедансах.


• Мощность для сравнимых значений импеданса неизвестна — Если вы не знаете выходную мощность устройства для импедансам ваших наушников, или хотя бы для импеданса меньше, чем у ваших наушников, я настоятельно рекомендую выбрать другой источник с более подробно задокументированными параметрами мощности (или напряжения). Обычно производители, которые не предоставляют полные спецификации, пытаются таким образом скрыть какие-то недостатки, либо же они сами не имеют представления о параметрах устройства. По-хорошему производитель не должен заставлять покупателя гадать, подойдет ему данное устройство или нет. Намного безопаснее покупать продукт с известными характеристиками.

Всё вместе

Если вы еще не устали читать, время сложить всё вышесказанное воедино. Имеется ввиду преобразование между напряжением, мощностью и децибелами.

Логарифм

Не впадайте в панику, но для расчетов потребуется кнопка, которой на ваших калькуляторах может не оказаться — «LOG» (логарифм по основанию 10) и обратная функция «10^x» (10 в степени x). Существуют специальные онлайн калькуляторы, которые в нашем случае могут помочь с расчетами.

Расчет звукового давления (SPL) из мощности

Если у вас есть конкретный источник, и вы хотите узнать, насколько громко будут звучать с ним ваши наушники, вам необходимо знать чувствительность ваших наушников в дБ/мВт и выходную мощность источника в мВт для импеданса ваших наушников. Вот расчеты для связки FiiO E5 и HD600:

• dBSPL = чувствительность в дБ/мВт + 10 * LOG (Pmax в мВт)


• 97 + 10 * LOG ( 5.6 ) = 103.8 peak dBSPL для HD600 & FiiO E5

Расчет звукового давления (SPL) из напряжения

Если вы знаете напряжение источника для импеданса ваших наушников, и чувствительность ваших наушников задана в дБ/В, вы можете рассчитать максимальный выход:

• dBSPL = чувствительность в дБ/В + 20 * LOG ( Vmax)


• 103 + 20 * LOG ( 1.2 ) = 104.6 peak dBSPL для HD650 & FiiO E5

Какой будет громкость?

В соответствии с рекомендациями в первой части статьи, рекомендуется пиковый уровень 110 dBSPL с возможными вариантами в диапазоне 105 — 115 dBSPL, в зависимости от личных (в т. ч. музыкальных предпочтений). E5, к сожалению, с HD600 и HD650 даёт показатели чуть ниже, однако этой громкости всё равно может быть достаточно, особенно для популярной музыки с высокой средней громкостью. Что ж, давайте произведем теперь обратные расчеты и выясним, какая мощность нужна этим наушникам в идеале.

Расчет мощности из звукового давления

В случае с HD600, для которых указаны дБ/мВт, мы получим:

• Мощность в мВт = 10^( ( требуемая громкость dBSPL - dBSPL при 1 мВт ) / 10 )


• 10^( ( 110 - 97 ) / 10 ) = 20 мВт для 110 dB SPL peak на HD600


• 10^( ( 115 - 97 ) / 10 ) = 63 мВт для 115 dB SPL peak на HD600

Расчет напряжения из звукового давления

Точно так же, только уже для HD650 в вольтах:

• Напряжение в Vrms = 10^( ( требуемая громкость dBSPL - dBSPL при 1 мВт ) / 20 )


• 10^( ( 110 - 103 ) / 20 ) = 2.2 Vrms для 110 dBSPL peak на HD650


• 10^( ( 115 - 103 ) / 20 ) = 4 Vrms для 115 dBSPL peak на HD650

Преобразование спецификаций

Иногда вы можете встретиться с параметрами, заданными несколько иначе. InnerFidelity, например, задаёт чувствительность в виде напряжения, соответствующего давлению 90 dBSPL. Вот формулы некоторых преобразований:

• Напряжение при 90 dB в дБ/В: дБ/В = 90 + 20 * LOG ( 1 / V@90db )


• Напряжение в мощность: Мощность в Вт = ( V ^2 ) / Импеданс


• Мощность в напряжение: Напряжение = кв.корень( Мощность * Импеданс )


• Децибелы из двух значений напряжения: дБ = 20 * LOG ( V1 / V2 )


• Децибелы из двух значений мощности: дБ = 10 * LOG ( P1 / P2 )


• Размах в Вольтах (V peak-to-peak) в действующее значение: Vrms = Vp-p * 0.354


• Действующее значение напряжения в размах: Vp-p = Vrms * 2.83

Как правильно

Наиболее продвинутые разработчики указывают мощность устройства для различных импедансов нагрузки, включая предельные значения — 16 и 600 Ом. Выше был пример с Leckerton, другим примером может послужить спецификация Violectric’s Specification. Правильные измерения дают такой же результат. Вот, например, зависимость КНИ от напряжения на выходе усилителя O2 при различных нагрузках. Вы можете видеть, что искажения остаются на низком уровне до тех пор, пока усилитель не уходит в перегрузку и не появляется клиппинг (тогда график искажений резко взмывает вверх). Уровень КНИ 1% является общепринятым граничным значением для определения максимальных выходных значений. O2 имеет ограничение по току для предотвращения повреждения низкоомных наушников. Именно поэтому для 15 и 33 Ом напряжение ниже. Однако, мы видим, что для 80, 150 и 600 Ом напряжение практически идентично — 7.3 Vrms — благодаря низкому выходному импедансу усилителя, работающего данном случае как идеальный источник:

Измерение максимального выходного значения

Для измерения выходной мощности необходимо специальное оборудование. RMAA не подразумевает возможности измерения абсолютных значений (например, напряжения) и не способна построить графики зависимости КНИ от напряжения, потому данная программа не слишком подходит для наших целей. Кроме того, можно легко сжечь вход звуковой карты, номинальное значение входного напряжения которого обычно составляет 2 Vrms или ниже. Вы можете осуществить грубые измерения с помощью осциллографа и известного сопротивления нагрузки (не используйте наушники), увеличивая выходной уровень до тех пор, пока не обнаружите срезы. В идеале тест проводится с использованием 60-герцовой синусоиды и цифрового мультиметра для измерения действующего значения напряжения (многие мультиметры корректно работают только с частотами не выше 60 Гц). Также вы можете определять размах сигнала (V peak-to-peak) по осциллографу, однако такие показания будут менее точными. Для низких импедансов тест должен быть непродолжительным (всего несколько секунд при максимальной мощности), т. к. продолжительный ток может привести к нарушению нормального температурного режима устройств. Без осциллографа или анализатора искажений точные замеры произвести сложно.

В заключение

Надеюсь, в особенности для людей технически (или хотя бы математически) подготовленных, данная статья степени пролила свет на тему выходной мощности и громкости. Как только вы разберетесь с математикой, главной проблемой станут спецификации. Лучший способ борьбы с недобросовестными производителями, которые не информируют покупателей о параметрах своих устройств — не жалеть денег на устройства, укомплектованные подробными спецификациями. Тогда, в конце концов, до них дойдет.

Оригинал статьи на английском: More Power?

Расчет громкости наушников, необходимой мощности источника, преобразование между напряжением, мощностью, громкостью, перевод значений в децибелы и обратно.